CN103591991A - 带有流体阻抗测量的电磁流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有流体阻抗测量的电磁流量计。它包括一个电磁流量计传感器经一个可控激励电势，连接一个流量信号放大器，并经两个电容Ca和Cb连接一个阻抗信号放大器；电磁流量计传感器在有激励磁场B时两个电极P1和P2端上有与流体流速V成正比的感应电势E0，电极P1和P2端上的感应电势E0与可控激励电势产生的激励电势E1串联形成的信号端a和b；本发明有流量信号放大器直接连接信号端a和b，在激励电势E1=0时测量流体流速V；同时，阻抗信号放大器通过两个电容Ca和Cb耦合与信号端a和b相接，在激励磁场B=0时有输出信号U4来估计流体阻抗Z0，即通过信号U4可以得出流体电导率变化、电极污染和测量管空管等信息。

Description

带有流体阻抗测量的电磁流量计

技术领域

本发明涉及一种带有流体阻抗测量的电磁流量计,具体涉及一种采用基于光电池的可控激励源产生附加交流激励电势的双激励电磁流量计，磁激励下进行流体流速测量，电激励下进行电极阻抗测量。本发明特别关于一种根据所测得在电极阻抗值，实施流体电导率测量、侦测电极绝缘物附着情况及判断是否空管的电磁流量计。

技术背景

电磁流量计是基于磁场激励状态下流体切割磁力线产生与流速成正比的感应电动势而形成的一个测量方程，并依此形成由传感器两电极输出感应电势与测量放大器进行信号放大的测量体系，但这一测量体系是建立在流体电导率等效流体内阻与信号放大器输入内阻间的内阻比可被忽略的条件下。一旦流体电导率足够低，其等效内阻不能被忽略，上述测量体系测量精度便不能保证。

此外，电磁流量计现被广泛用于污水领域，由管壁内衬层及电极表面污染物附着引起的故障概率相对较高。同样，空管情况下，电磁流量计需及时给出正确的流速信息。上述电极污染及空管情况，都可以通过流体阻抗测量来判别。

现已形成一种除磁场激励外再附加新激励来测量流体阻抗的双激励电磁流量计，有专利CN1409093A、专利CN100344940C、专利CN100491928C、专利CN1731106A、专利CN1760643A和CN101718565A等，主要用于实现在保证原有流体流量测量的同时，对电极污染和测量管道空管状态进行监测。一般附加新激励有两种方式：一是如专利CN1409093A、CN100491928C和CN1760643A将新激励并联在测量电极上，这样在原理上存在，任何电路并联在高内阻的测量电极上都会使磁场激励下的感应电势信号受到损失的问题；二是将新激励串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，如专利CN100344940C、CN1731106A和CN101718565A，这样在原理上已不会使磁场激励下的感应电势信号受到损失，但这样需要用与测量电极回路电气隔离方法来实现附加新激励的产生和控制问题。如双激励电磁流量计专利CN100344940C中采用了变压器耦合方式来产生和控制附加的新激励，但其相对复杂的电气隔离与新激励产生电路较容易在高阻抗测量电极回路中引入附加的干扰。而专利CN101718565A则采用基于光电耦合的方法来产生激励电势，其光电转换器产生的激励电势串接在电磁流量传感器两测量电极端与测量放大器两输入端的连接回路中，使所施加的激励电势既便于控制又不降低测量放大器的输入阻抗。这样就能够保持双激励电磁流量计的流量测量特性及其附加功能的高性能。但该专利所提出的电极阻抗测量方式没有考虑测量放大器输入阻抗远远大于两电极间阻抗的事实,即便是在电极污染或空管的情况下。如此，该专利所提出的电极阻抗测量方式事实上较难区分流体电导率变化，电极污染及空管情况。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种带有流体阻抗测量的电磁流量计，可以精确测量电极阻抗，从而能够辨识流体种类，侦测电极污染及管壁内衬层附着情况，判断测量管是否空管。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明是在专利CN101718565A的基础上，在由传感器(1)产生的流体感应电势E0与可控激励电势(2)产生的激励电势E1串联形成的信号端a和b，通过电容Ca和Cb耦合与阻抗信号放大器(4)两输入端相接，并在阻抗信号放大器(4)两输入端上分别接有连接信号参考地的电阻Ra和Rb。在激励磁场B=0时，阻抗信号放大器(4)有输出信号U4来估计流体阻抗Z0，即通过信号U4可以得出流体电导率变化、电极污染和测量管空管等信息。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种带有流体阻抗测量的电磁流量计，包括：一个有管道直径D使被测流体Q通过的电磁流量传感器，电磁流量传感器中有激励磁场B施加于被测流体Q，对应流体Q的流速V在电磁流量传感器中两测量电极P1和P2间产生幅值正比于流速V的感应电势E0 =K0×D×B×V，其中K0为一系数；一个可控激励电势产生有内阻r1和交变频率f的激励电势E1；感应电势E0与激励电势E1相串联形成两个信号端a和b；其特征在于所述的信号端a和b输入到一个有放大倍数K3的流量信号放大器，当激励电势E1=0时在激励磁场B下电磁流量传感器中两测量电极P1和P2间产生感应电势E0，由流量信号放大器输出信号U3=K3×E0=K×V，其中K=K3×K0×D×B，即由信号U3得出流体Q的流速V；所述的信号端a和b又分别通过电容Ca和Cb耦合输入到一个有放大倍数K4的阻抗信号放大器，当激励磁场B=0时由可控激励电势产生激励电势E1，对应由阻抗信号放大器输出信号U4来估计电磁流量传感器中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0。

上述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，阻抗信号放大器的两个输入端上分别接有连接信号参考地的电阻Ra和Rb，当激励磁场B=0时由可控激励电势产生激励电势E1，根据阻抗信号放大器(4)的输出信号U4，计算出两测量电极P1和P2间的阻抗Z0值：

；

其中

和分别是耦合电容Ca和Cb对应的容抗值。

上述的带有流体阻抗测量的电磁流量计,所述电阻Ra和Rb可采用数控电位器，可根据实际需求，调整到需要的电阻值，从而提高测量精度。

上述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，通过估计的电磁流量传感器中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0，可估计流体Q的电导率。

上述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，通过估计的电磁流量传感器中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0变化，可估计测量电极P1和P2的被污染程度。

上述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，通过估计的电磁流量传感器中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0变化，可判断电磁流量传感器(1)是否为空管状态。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 基于光电耦合串联在流量测量回路里的电场激励，易控制监测，且不会降低流量测量信号放大器的输入阻抗，从而不会造成磁场激励下的感应电势信号受到损失的问题。其次，阻抗信号放大器通过耦合电容连接到流速测量回路里的两信号输出端a和b，从而使得流体流速测量与电极阻抗测量互不干扰，分时、分频、分硬件进行测量。这样就能提供一种既能保持在磁场激励下的高性能流量测量特性，又能在附加电势激励下对电极两端间流体阻抗进行监测的双激励电磁流量计。使传统的电磁流量计具有了对电极污染、测量管空管和流体阻抗变化等进行监测的新功能。

附图说明

图1是本发明第一个实施例结构原理框图。

图2是本发明第二个实施例结构原理框图。

图3是使用以离子交换方式去矿物质的蒸馏水作为流体的情况下，流体电阻率与所测流体电阻值之间的比例关系图。

图4是第一实施例对应电极阻抗频谱图。

具体实施方式

本发明的优选实施结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，本带有流体阻抗测量的电磁流量计，包括：一个有管道直径D使被测流体Q通过的电磁流量传感器1，电磁流量传感器1中有激励磁场B施加于被测流体Q，对应流体Q的流速V在电磁流量传感器1中两测量电极P1和P2间产生幅值正比于流速V的感应电势E0 =K0×D×B×V，其中K0为一系数；一个可控激励电势2产生有内阻r1和交变频率f的激励电势E1；感应电势E0与激励电势E1相串联形成两个信号端a和b；其特征在于所述的信号端a和b输入到一个有放大倍数K3的流量信号放大器3；所述的信号端a和b又分别通过电容Ca和Cb耦合输入到一个有放大倍数K4的阻抗信号放大器4，所述的阻抗信号放大器4的两个输入端上又分别接有连接信号参考地的电阻Ra和Rb。

所述的可控激励电势2，其光电转换器模块由光电池和电阻r1串联而成。光电池的感应电流受控于对应的LED光源，而LED光源由微控制器控制。电激励情况下，微控制器以频率f控制LED光源的开和关，可控激励电势2为一个有内阻r1的电压激励源，产生交变频率f的激励电势E1。磁激励情况下，光电池无感应电流，可控激励电势2仅相当于一个纯电阻r1串联于流速测量回路中。

每个测量周期，磁激励和电激励分时进行。磁激励以较低频率进行，通常是工频的八分频、十六分频和三十二分频等。电激励以较高频率进行，通常高于流体噪声频率。

磁激励单独作用时，电激励电势E1=0,此时电激励模块仅相当于一个电阻r1，且r1取值通常为10kΩ以下，可忽略。在激励磁场B下电磁流量传感器1中两测量电极P1和P2间产生感应电势E0，由流量信号放大器(3)输出信号有：

；

根据法拉第定律，E0=K0×D×B×V，由信号U3得出流体Q的流速V为：

；

电激励单独作用时，激励磁场B=0。由可控激励电势2产生交变频率f的激励电势E1。根据阻抗信号放大器4的输出信号U4，计算出两测量电极P1和P2间的阻抗Z0值：

；

其中

和

分别是耦合电容Ca和Cb对应的容抗值。

实施例中选择Ra=Rb，Ca=Cb。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

于图2所示，电阻Ra和Rb可以用数控电位器实施，可以根据实际需求，调整到需要的电阻值，从而提高测量精度。

本实施例中，可控激励电势2产生的激励信号的频率f的选择予以说明。

用于电极阻抗测量的阻抗信号放大器4是通过电容耦合到流体信号测量回路里的，耦合电容在磁激励频率下呈现的容抗需足够大，而在交变频率f下呈现的容抗需较小。故电激励交变频率f一般大大于磁激励频率。

但是，电激励的交变频率f取值不易过大。原因如下：其一，流体只有在激励信号频率足够低的情况下才可视为纯电阻；其二，如果激励信号频率较高的话，电极会发生结构性散射问题，在此频率区域的电极电容的交流电阻将非常不同于低频区域的交流电阻。所以电激励频率必须限制在电极电容不会导致结构性散射发生的区域。

此外，从光电池的频率响应角度，硅光电池具有较好的频率特性，但其光激励频率最好在5kHz以下。

本实施例中，在电激励频率为400Hz到4kHz，耦合电容为4700pF，分压电阻Ra和Rb为200k时，流体电阻率与所测量的电极阻抗的关系图绘示于图3。图3于使用不锈钢电极并以离子交换方式去矿物质的水作为流体的情况下，所测量的流体电阻率与电极阻抗之间的关系图。于图3中，当电激励频率为1kHz及以下的频率时，所测量的电极阻抗基本重合。而激励频率为2kHz及以上频率时，所测量的电极阻抗与低频激励时所测的电极阻抗不符。

可以通过两种频率交替地测量电极阻抗，若两种频率下所测的电极阻抗相符，则认为电激励频率处于有效的低频区域，避免了电极电容的散射问题，否则，认为电激励频率还需进一步调整得更低。

本实施例中，根据所测得的电极阻抗Z0，诊断电极污染及测量管空管的方法将予以说明。

图4给出了电极表面污染及空管情况下的电极阻抗Z0与电激励频率的关系图。于图中给出了如下四种情况下的电极阻抗频谱曲线，包括自来水满管情况下电极无污染、电极表面口香糖附着和电极表面黑色绝缘胶布附着三种情况，以及空管情况。

当两电极表面有非绝缘污染物附着，如口香糖，此时所测量的电极阻抗Z0比电极表面无污染情况下的电极阻抗大了几十KΩ。

当两电极表面完全被绝缘物附着，如绝缘胶布，此时在本实施方案的电激励频率区间，两电极间主要呈现的是电容特性。可根据所测量的电极阻抗Z0，计算两电极间电容值，且各频率下估算出的电容值是相近的。

测量管空管的电极阻抗频谱特性与电极表面绝缘物附着的电极阻抗频谱特性相符。 

Claims (6)

1. 一种带有流体阻抗测量的电磁流量计，包括：一个有管道直径D使被测流体Q通过的电磁流量传感器(1)，电磁流量传感器(1)中有激励磁场B施加于被测流体Q，对应流体Q的流速V在电磁流量传感器(1)中两测量电极P1和P2间产生幅值正比于流速V的感应电势E0 =K0×D×B×V，其中K0为一系数；一个可控激励电势(2)产生有内阻r1和交变频率f的激励电势E1；感应电势E0与激励电势E1相串联形成两个信号端a和b；其特征在于：所述的信号端a和b输入到一个有放大倍数K3的流量信号放大器(3)，当激励电势E1=0时在激励磁场B下电磁流量传感器(1)中两测量电极P1和P2间产生感应电势E0，由流量信号放大器(3)输出信号U3=K3×E0=K×V，其中K=K3×K0×D×B，即由信号U3得出流体Q的流速V；所述的信号端a和b又分别通过电容Ca和Cb耦合输入到一个有放大倍数K4的阻抗信号放大器(4)，当激励磁场B=0时由可控激励电势(2)产生激励电势E1，对应由阻抗信号放大器(4)输出信号U4来估计电磁流量传感器(1)中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0。

2.根据权利要求1所述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，其特征在于：所述阻抗信号放大器(4)的两个输入端上分别接有连接信号参考地的电阻Ra和Rb，当激励磁场B=0时由可控激励电势(2)产生激励电势E1，根据阻抗信号放大器(4)的输出信号U4，计算出两测量电极P1和P2间的阻抗Z0值：

；

其中和分别是耦合电容Ca和Cb对应的容抗值。

3.根据权利要求1所述的带有流体阻抗测量的电磁流量计,其特征在于电阻Ra和Rb为数控电位器，可根据实际需求，调整到需要的电阻值，从而提高测量精度。

4.根据权利要求1所述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，其特征在于通过所述的电磁流量传感器(1)中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0，可估计流体Q的电导率。

5.根据权利要求1所述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，其特征在于通过所估计的电磁流量传感器(1)中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0变化，可估计测量电极P1和P2的被污染程度。

6.根据权利要求1所述的带有流体阻抗测量的电磁流量计，其特征在于通过所估计的电磁流量传感器(1)中两测量电极P1和P2间的阻抗Z0变化，可判断电磁流量传感器(1)是否为空管状态。

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